(57)【要約】【課題】走査型シェアフォース顕微鏡と中空プローブの組み合わせを用いて，加工液と被加工物の間に電圧を印加するタイプの微細加工を実現する。【解決手段】走査型シェアフォース顕微鏡のプローブとして，先端が開口したマイクロピペットプローブ１２を用いる。このプローブの内部にめっき液４８を充填する。プローブの先端を被加工物１８の表面上の所望の位置に接触させてから，めっき液４８と被加工物支持体１６の間に所定時間だけ電圧を印加する。これにより，被加工物１８の表面上に微細なめっき加工を施す。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の段階を備える微細加工方法。
（ア）先端が開口した中空プローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階。
（イ）前記中空プローブの内部に加工液を充填する段階。
（ウ）前記中空プローブの前記先端を被加工物の表面上の所望の位置に接触させる段階。
（エ）前記加工液と前記被加工物との間に所定時間だけ電圧を印加して，前記被加工物の表面上に微細な加工を施す段階。
【請求項２】
請求項１に記載の微細加工方法において，前記中空プローブの内部に導電体からなる芯線が通っていて，前記芯線は前記加工液に接触しており，前記芯線と前記被加工物の間に電圧を印加することで前記加工液と前記被加工物との間に電圧を印加することを特徴とする微細加工方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微細加工方法において，前記加工液は金属イオンを含む液体であり，前記加工液と前記被加工物との間に電圧を印加することで前記被加工物の表面上に微細めっきを施すことを特徴とする微細加工方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の微細加工方法において，微細加工が施された前記被加工物の表面に対して前記中空プローブを非接触の状態で走査することにより，前記走査型シェアフォース顕微鏡を用いて前記被加工物の表面の加工状態を観察することを特徴とする微細加工方法。
【請求項５】
次の構成を備える微細加工装置。
（ア）先端が開口した中空プローブと，試料台と，前記試料台を前記中空プローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡。
（イ）前記中空プローブ内に充填された加工液。
（ウ）前記試料台に固定されていて被加工物を支持する導電性の被加工物支持体。
（エ）前記加工液と前記被加工物支持体との間に電圧を印加できる電気回路。
【請求項６】
請求項５に記載の微細加工装置において，前記中空プローブの内部に導電体からなる芯線が配置されていることを特徴とする微細加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型シェアフォース顕微鏡を用いた微細加工方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は，微細なプローブを用いてその先端と試料表面の間に働く様々な物理量を検出して，ナノスケールでの高い分解能で前記物理量の表面分布を画像化できる顕微鏡である。この走査型プローブ顕微鏡は，試料表面の観察だけではなくて，ナノスケールの超微細表面加工にも用いられている。このような超微細表面加工は次の非特許文献１，非特許文献２及び特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】角屋ほか，「マイクロピペットプローブを有するＳＰＭによるポリマー表面のナノスケール加工」，２００２年度精密工学会秋季大会講演論文集，社団法人精密工学会，平成１４年９月，ｐ．１４９
【非特許文献２】岩田，「極細なプローブによるナノスケール微細加工法の開発」，超精密位置決め専門委員会前刷集，社団法人精密工学会，平成１４年，２００２−４（２），ｐ．９−１５
【特許文献１】特開平９−２５１９７９号公報
【０００３】
上述の非特許文献１は，走査型シェアフォース顕微鏡のプローブとして，マイクロピペットプローブを採用している。そして，このマイクロピペットの内部に，試料加工用の試薬溶液（１，４−ジオキサン）を充填して，この試薬をポリカーボネート基板に近接させて，試薬の蒸気により基板を加工している。マイクロピペットプローブは基板に接触することがなく，試薬の蒸気だけで加工をしているので，マイクロピペットプローブのアパーチャサイズ（約３００ｎｍ）と同程度の分解能で，基板を加工できる。
【０００４】
上述の非特許文献２は，走査型プローブ顕微鏡を用いたナノスケール微細加工法のいくつかを紹介している。その中で本発明に関連が深いものとして，化学的相互作用を用いたナノ加工（ケミカルヴェイパ加工法）の記載がある。この加工法では，シェアフォースモードの走査型顕微鏡のプローブとしてマイクロピペットプローブを採用している。このマイクロピペットプローブに化学試薬溶液を注入して，試薬溶液と被加工物の表面との化学反応により，ナノスケール加工をしている。揮発性のポリマー溶媒試薬を用いた場合，ポリマー表面においてマイクロピペットプローブをナノメートル領域まで接近させると，非接触状態でも溶液の蒸気（ヴェイパ作用）によりピペット先端サイズと同等の精度で加工が可能になる。そして，試薬を含んだ状態のマイクロピペットプローブを用いてプローブと試料間の距離制御を行うことにより，観察モードと加工モードの両方が連続的に選択可能となる。
【０００５】
一方，上述の特許文献１は，走査型プローブ顕微鏡として，光てこ方式の原子間力顕微鏡を用いるものであり，この原子間力顕微鏡のプローブとしてマイクロピペットを採用している。このマイクロピペットの内部に加工液を充填して，被加工物の所望の位置にマイクロピペットを近づけて加工液を排出することで，被加工物の表面にエッチングを施したり，デポジションをしたりすることができる。そして，本発明に関連が深い記述として，めっき加工にも言及している。すなわち，マイクロピペットから金めっき液を被加工物の表面に供給するようにして，マイクロピペットのアルミニウム層と被加工物との間に電流を流せば，金めっき液を活性化することができる。マイクロピペットの構造としては，シリコンウエハから作成したものやガラス管で作成したものを開示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の非特許文献１と非特許文献２は，走査型シェアフォース顕微鏡とマイクロピペットプローブを組み合わせることで，被加工物の表面を微細加工できるが，マイクロピペット内部の加工液と被加工物との間に電圧を印加して被加工物を加工することは開示していない。一方，特許文献１は，光てこ方式の原子間力顕微鏡とマイクロピペットプローブを組み合わせて，マイクロピペットプローブと被加工物の間に電流を流すことで，被加工物の表面に微細なめっき加工をすることを示唆している。しかし，この特許文献１は光てこ方式の原子間力顕微鏡を用いていて，観察モードではプローブと被加工物との接触圧を一定に制御しながら走査するものであるから，（１）観察モードにしたときに加工液が被加工物表面に付着してしまい，加工位置以外のところでも加工が進行するおそれがある，（２）したがって，加工モードのほかに観察モードを選択することが難しい，（３）加工液が被加工物表面に広がりやすく，加工サイズの制御が難しい，などの問題点がある。
【０００７】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり，その目的は，走査型シェアフォース顕微鏡と中空プローブの組み合わせを用いて，加工液と被加工物の間に電圧を印加するタイプの微細加工を実現できるような微細加工方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の微細加工方法は次の（ア）〜（エ）の段階を備えている。（ア）先端が開口した中空プローブを備えた走査型シェアフォース顕微鏡を準備する段階。（イ）前記中空プローブの内部に加工液を充填する段階。（ウ）前記中空プローブの前記先端を被加工物の表面上の所望の位置に接触させる段階。（エ）前記加工液と前記被加工物との間に所定時間だけ電圧を印加して，前記被加工物の表面上に微細な加工を施す段階。
【０００９】
前記中空プローブの内部には導電体からなる芯線を設けることができる。この芯線は加工液に接触していて，芯線と被加工物の間に電圧を印加することで加工液と被加工物との間に電圧を印加することができる。
【００１０】
加工液としては金属イオンを含む液体を使用でき，この加工液と被加工物との間に電圧を印加することで被加工物の表面上に微細めっきを施すことができる。
【００１１】
また，微細加工が施された被加工物の表面に対して中空プローブを非接触の状態で走査することにより，走査型シェアフォース顕微鏡を用いて被加工物の表面の加工状態を観察することもできる。すなわち，同じ中空プローブを用いて，加工モードに加えて，観察モードが可能になる。
【００１２】
本発明の微細加工装置は次の（ア）〜（エ）の構成を備えている。（ア）先端が開口した中空プローブと，試料台と，前記試料台を前記中空プローブに対して相対的に３次元方向に移動させる移動機構とを備える走査型シェアフォース顕微鏡。（イ）前記中空プローブ内に充填された加工液。（ウ）前記試料台に固定されていて被加工物を支持する導電性の被加工物支持体。（エ）前記加工液と前記被加工物支持体との間に電圧を印加できる電気回路。なお，試料台と被加工物支持体は一体に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の微細加工方法及び装置は，走査型シェアフォース顕微鏡と中空プローブを用いて，中空プローブの内部の加工液と被加工物の間に電圧を印加することで，被加工物の表面を微細加工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は微細めっき加工をするための走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。図２はその要部の斜視図である。図１において機械的な構造を図示している部分は正面図である。マイクロピペットプローブを備える走査型シェアフォース顕微鏡の構成は上述の非特許文献１及び非特許文献２に開示されているので，ここでは，その構成を簡単に説明する。図１と図２において，円筒状のプローブ支持体１０の中心軸上にマイクロピペットプローブ１２が固定されている。このマイクロピペットプローブが本発明における中空プローブに相当する。プローブ支持体１０には励振用圧電素子が組み込まれている。この圧電素子の材質はＰＺＴである。この励振用圧電素子の振動によって，マイクロピペットプローブ１２は図１の紙面に垂直な方向に振動する。試料台１４は圧電素子で駆動される３次元アクチュエータによって，ＸＹ方向（水平面内での２次元方向）及びＺ方向（上下方向）に所定の移動距離の範囲内で移動できる。試料台１４の上面には導電体からなる被加工物支持体１６が固定されている。被加工物支持体１６の上面には被加工物１８を載せることができる。マイクロピペットプローブ１２は励振用圧電素子によって水平方向に振動し，その振幅は振幅検出装置で検出される。振幅検出装置はレーザダイオード２０と集光レンズ２２と２分割フォトダイオード２４で構成されている。レーザダイオード２０は波長６７０ｎｍのレーザ光を出射し，このレーザ光２６は集光レンズ２２でマイクロピペットプローブ１２の付近に集光され，そこを通過したレーザ光は２分割フォトダイオード２４で集光される。２分割フォトダイオード２４の出力はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存する。
【００１５】
次に，走査型シェアフォース顕微鏡の制御系を説明する。図１において，プローブ支持体１０に組み込まれた励振用圧電素子には発振器２８から発振出力信号２９が供給されて，プローブ支持体１０は所定の共振周波数で水平方向に振動する。２分割フォトダイオード２４の出力信号はマイクロピペットプローブ１２の振動振幅に依存しており，この出力信号はＩ−Ｖ変換器３０と演算回路３２とロックインアンプ３４を経て，マイクロピペットプローブ１２の振動振幅に変換される。ロックインアンプ３４には参照信号３３として発振器２８の信号が入力されていて，このロックインアンプ３４によりノイズが除去される。ロックインアンプ３４から出力されるマイクロピペットプローブ１２の振動振幅３５は制御回路３６に入力される。制御回路３６ではマイクロピペットプローブ１２の振動振幅と所定の基準値とを比較して，振動振幅が基準値に等しくなるようにＺ方向指令信号３７を出力する。すなわち，振動振幅が基準値よりも大きければ，試料台１４を上昇させるように，逆に，振動振幅が基準値よりも小さければ，試料台１４を下降させるように，Ｚ方向指令信号３７を出力する。Ｚ方向駆動信号はＰＺＴドライバ３８のＺ方向駆動回路４０に入力され，Ｚ方向駆動回路４０からは，Ｚ方向のＰＺＴアクチュエータに対して，Ｚ方向駆動信号４１が出力される。その結果，試料台１４が微小距離だけ上下して，マイクロピペットプローブ１２の振動振幅が常に一定に保たれる。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅は，後述するように，プローブの先端と被加工物１８の表面との距離に依存するので，結局，上述のようなＺ方向のフィードバック制御により，プローブの先端と被加工物１８の表面との距離が一定に保たれる。
【００１６】
パーソナルコンピュータ４４はＰＺＴドライバ３８のＸＹ方向駆動回路４２にＸＹ方向指令信号４５を出力する。ＸＹ方向駆動回路４２はそれに応じてＸＹ方向アクチュエータに対してＸＹ方向駆動信号４３を出力し，試料台１４がＸＹ方向に移動する。これによって，被加工物１８の表面上の所望の位置をマイクロプローブピペット１２の先端に対向させることができる。Ｚ方向駆動回路４０からはＺ方向指令信号（これは，被加工物の表面の高さ信号に相当する）がパーソナルコンピュータ４４に入力されている。したがって，パーソナルコンピュータ４４では，ＸＹ方向指令信号に応じたＺ方向指令信号の値，すなわち，被加工物表面上の各位置における高さ信号を取得することができ，これに基づいて，被加工物表面の高さ画像を作ることができる。
【００１７】
図３は走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。上段のＡの状態は，プローブ５４の先端と試料５６の表面との距離ｄが十分離れている状態である。このとき，プローブ５４は所定の共振周波数で振動していて，その振幅は最大値Ｗmaxとなる。上段のＢの状態は，プローブ５４の先端が試料５６の表面に近づいて，プローブ５４の振動振幅が試料５６の影響を受けている状態である。すなわち，共振周波数付近で振動するプローブ５４が試料５６に近づくと，プローブ５４はシェアフォースと呼ばれる横方向の力を受ける。このときの振動振幅はＡの状態よりも小さくなる。プローブ５４がさらに試料５６に近づくと，振動振幅が急激に減衰する。そして，上段のＣに示すように，プローブ５４の先端が試料５６の表面に接触すると，振動振幅はゼロになる。下段のグラフは，横軸にプローブ５４の先端と試料５６の表面との距離ｄをとり，縦軸にプローブ５４の振動振幅をとったものである。距離ｄがｄ１よりも大きいときは，上段のＡの状態に相当し，プローブの振動振幅はＷmaxである。距離ｄがｄ１よりも小さくなっていくと振動振幅は減少していき，この中間状態が上段のＢの状態に相当する。距離ｄがさらに小さくなってゼロに近づくと，振動振幅がゼロになる。これが上段のＣの状態に相当する。そして，距離ｄがｄ１よりも小さい領域が制御領域であり，この制御領域は，距離ｄに応じて振動振幅が変化する領域として定義される。この制御領域内の特定の振動振幅値を基準値Ｗrefとすると，プローブに対して試料を相対的に走査して，振動振幅が常に基準値Ｗrefに等しくなるように距離ｄを制御すれば，その距離ｄの変化によって試料表面の高さ変化を表すことができる。このようにして，試料の表面形状を取得することができる。本発明の実施例では，基準値ＷrefをＷmaxの８０％に設定している。
【００１８】
プローブを試料に接触した状態から徐々に離していくと，プローブの振動振幅は増加していくが，その上昇曲線５８は，距離を小さくしていくときの下降曲線６０とは異なっている。すなわち，ヒステリシス特性がある。下降曲線６０の傾きは距離制御（高さ制御）の感度を示している。
【００１９】
図４はマイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。マイクロピペットプローブはマイクロピペット引き伸ばし装置によって製造される。この引き伸ばし装置は，第１チャック６２と第２チャック６４と加熱装置６６を備えている。第１チャック６２はガラス管６８の一端をつかんで図面の左方向に引っ張り力７０を付与するものである。第２チャック６４はガラス管６８の他端をつかんで図面の右方向に引っ張り力７２を付与するものである。加熱装置６６は，ガラス管６８の周囲を取り囲む加熱コイル７４と，この加熱コイル７４に電力を供給する加熱電源７６からなる。二つのチャック６２，６４によってガラス管６８に引っ張り力を付与した状態で，加熱電源７６から加熱コイル７４に電力を供給して，ガラス管６８の中央を加熱すると，ガラス管６８の中央が軟化して伸びるとともに，その径が小さくなっていき，ついには中央で分離する。これによって，先端が先細のマイクロピペットプローブが出来上がる。二つのチャック６２，６４に付与する引っ張り力の強さと，加熱電源７６が供給する電力とを調整することで，出来上がるマイクロピペットプローブの先端の開口径を変えることができる。高温にするほど，開口径は小さくなる傾向にある。実施例では，開口径が約２００ｎｍのものを使用した。
【００２０】
図５は出来上がったマイクロピペットプローブ１２の概略形状を示す平面図である。プローブ１２の先端付近には第１テーパ部７７と第２テーパ部７８が形成されている。
【００２１】
図６はマイクロピペットプローブの構造とめっき加工用の電気回路を示す説明図である。図３において，機械的な構造を示す部分は正面図である。中空のマイクロピペットプローブ１２の先端付近４６は先細のテーパ状になっていて，その先端は開口している。開口径は約２００ｎｍである。マイクロピペットプローブの内部にはめっき液４８が充填されている。また，マイクロピペットプローブの内部には導電性の芯線５０が通っている。マイクロピペットプローブ１２の上端からは芯線５０が外部に引き出されていて，この芯線５０が直流電源５２の一端に接続されている。直流電源５２の他端は，導電体からなる被加工物支持体１６に接続されていて，かつ，接地されている。
【００２２】
この実施例では，めっき液４８として硫酸銅水溶液を使用しており，このめっき液４８はＣｕ２＋イオンを含んでいる。被加工物１８としてはｎ型シリコン基板を用いている。めっき液４８と被加工物支持体１６との間に電圧を印加すると，被加工物１８の表面上にＣｕ（銅）が析出される。そのとき，陰極（被加工物）では，図１１の（１）式に示すような電気化学反応が生じている。また，陽極（マイクロピペットプローブ内の芯線）では図１１の（２）式に示すような電気化学反応が生じている。
【００２３】
めっき加工の手順は次のとおりである。まず，図６に示すように，めっき液４８をマイクロピペットプローブ１２の内部に充填する。そして，図１において，パーソナルコンピュータ４４からＸＹ方向指令信号４５を出力して試料台１４をＸＹ方向に動かし，被加工物１８の所望の地点（めっき加工をしたい地点）をマイクロピペットプローブ１２の真下に持ってくる。次に，制御回路３６を加工モードにして，被加工物１８がマイクロピペットプローブ１２に接触するまで，Ｚ方向指令信号３７を出力する。マイクロピペットプローブ１２の振動振幅がゼロになったときにプローブ１２が被加工物１８に接触したものと判断する。マイクロピペットプローブ１２が被加工物１８に接触したら，図６において，直流電源５２の出力電圧を芯線５０と被加工物支持体１６の間に所定時間だけ印加する。これにより，めっき液４８と被加工物１８との間に電圧が印加され，被加工物１８の表面にめっき膜８８が形成される。
【００２４】
図７は本発明のめっき加工によってシリコン基板上に１ドットの銅めっき膜を形成したものについての取得画像の例である。矩形の画像８２のサイズは１．８μｍ×１．８μｍであり，その中央に約２００ｎｍのサイズのめっき膜８０が形成されている。この画像は，めっき加工をしてから，観察モードにして，マイクロピペットプローブをシリコン基板に非接触の状態で走査して取得したものである。めっき膜があるところだけが高くなっており，その高い部分を他の部分から区別して（例えば，着色して）示している。観察モードでの走査条件は図７に示したとおりである。また，めっき条件は，印加電圧が０．２Ｖ，電圧の印加時間が６秒である。
【００２５】
図８は図７の画像中のライン７９に沿った高さ変化を示したグラフである。横軸はライン７９に沿った位置であり，縦軸はシリコン基板表面の高さである。中央付近において２０７μｍの幅で高い部分が観測され，この部分がめっき膜に相当する。
【００２６】
図９は本発明のめっき加工によってシリコン基板上に９ドットの銅めっき膜を形成したものについての取得画像の例である。矩形の画像８４のサイズは８μｍ×８μｍであり，その範囲内に９点のめっき膜８６が形成されている。観察モードでの走査条件は図９に示したとおりである。また，めっき条件は，９点のすべてについて，印加電圧が６Ｖ，電圧の印加時間が６秒である。
【００２７】
図１０（Ａ）は印加電圧とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。横軸はめっき回路の印加電圧であり，縦軸は形成されためっき膜のドット径である。電圧印加時間はすべて６秒である。印加電圧が大きくなると，ドット径が大きくなる傾向にある。得られたドット径はおよそ２００〜６００ｎｍの範囲内にある。
【００２８】
図１０（Ｂ）は電圧印加時間とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。横軸はめっき回路の電圧印加時間であり，縦軸は形成されためっき膜のドット径である。印加電圧はすべて８Ｖである。印加時間が増加すると，ドット径が大きくなる傾向にある。得られたドット径はおよそ３００〜１０００ｎｍの範囲内にある。
【００２９】
上述の実施例ではめっき加工として銅めっきの例を示したが，めっき液を変えることで，他の金属めっきも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】微細めっき加工をするための走査型シェアフォース顕微鏡の構成図である。
【図２】図１に示す走査型シェアフォース顕微鏡の要部の斜視図である。
【図３】走査型シェアフォース顕微鏡の動作原理を示す説明図である。
【図４】マイクロピペットプローブの製造方法を示す平面断面図である。
【図５】マイクロピペットプローブの概略形状を示す平面図である。
【図６】マイクロピペットプローブの構造とめっき加工用の電気回路を示す説明図である。
【図７】１点加工の取得画像とその条件を示すものである。
【図８】図７の画像中のラインに沿った高さ変化を示したグラフである。
【図９】９点加工の取得画像とその条件を示すものである。
【図１０】印加電圧とめっき膜のドット径との関係を示すグラフ，及び，電圧印加時間とめっき膜のドット径との関係を示すグラフである。
【図１１】電気化学反応の反応式である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  プローブ支持体
１２  マイクロピペットプローブ
１４  試料台
１６  被加工物支持体
１８  被加工物
２０  レーザダイオード
２４  ２分割フォトダイオード
２８  発振器
３０  Ｉ−Ｖ変換器
３２  演算回路
３４  ロックインアンプ
３６  制御回路
３８  ＰＺＴドライバ
４０  Ｚ方向駆動回路
４２  ＸＹ方向駆動回路
４４  パーソナルコンピュータ
４８  めっき液
５０  芯線
５２  直流電源
８８  めっき膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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